3D打印的前景与未来

机械制造及自动化系列讲座结课报告 3D打印 摘要 3D打印机，是近期探讨比较多的一个技术，被赐予者深厚的希望，但是这项技术究竟能为机械制造业甚至整个人类社会的发展带来什么样的变更，我们还不得而知，本篇论文就从多方面分析3D打印的现状，将来发展的趋势和前景以及技术所存在的问题。 一、3D打印的原理 3D打印是增材剂制造技术的一种形式,在增材剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印机相对于其他的增材剂制造技术而言,具有速度快,价格便宜,高易用性等优点。 现阶段3D打印大致分为五种不同原理的打印方法。 1. SL（ SLA Stereo Lithography Apparatus） 光固化/立体光刻工艺 2. FDM（ Fused Deposition Modeling）熔融沉积成形工艺 3. LOM（ Laminated Object Manufacturing） 分层（叠层）实体制造工艺 4. 3DP（ 3D Printer）三维印刷工艺 5. SLS（ Selective Laser Sintering）选择性激光烧结工艺 依据光固化/立体光刻工艺原理的3D打印，是靠x光、液体树脂薄层产生光聚合反应后固化 依据熔融沉积成形工艺的3D打印机,首先把三维实体模型导入到3D打印机的电脑程序中,经过打印机的限制程序自动规划出打印头的运动路途。接着在电脑的程序的指导下打印头自动依据三维实体的运动路径在加工平面上喷出每一层的剖面,这时经供丝装置把丝状的原材料送至打印喷头,并把已经熔化的原材料丝状物喷出,凝合在工作台上。凝合在工作台上的熔融状态材料通过冷却装置冷却之后汇聚成一层很薄的三维实体剖面薄片,从而得到所须要实体的加工剖面轮廓。电脑程序自动将喷涂程序不断循环往复,工作台平面的高度依据电脑程序的指令自动降低来达到层层叠加,直到形成所须要的三维实体模型电脑程序自动停止。 依据分层（叠层）实体制造工艺的3D打印机，原理是涂以热熔胶的薄片为原料，用CO2激光器或刀具切割后分层热压成形。 依据三维印刷工艺的3D打印，,首先把定量的原材料粉末状物由原料存放桶输送出,在加工平台上把这些粉末状物经滚筒碾压为薄层,之后在须要打印的区域通过喷头喷出已经调和好的粘合剂。原材料粉末状物遇到调和好的粘合剂之后会快速凝合固化。这样在打印完一层之后,工作台依据程序的设定会自动下降设定的距离,依据计算机设定的值不断进行打印循环,最终完成三维模型的三维成形打印,然后清除打印机工作台上的没有固化的粉末。称之为“打印机”是参照了其技术原理,因为分层加工的过程及喷墨打印特别相像。 依据选择性激光烧结工艺原理的3D，原理是激光烧结金属或非金属粉末优点材料适应面广，制件翘曲变形相对较小，能干脆制造制件和装配件。 二、3D打印技术的现状 英国 经济学家 杂志刊登的 第三次工业革命 （作者保罗∙麦基里）一文认为， 以3D打印技术为代表的数字化制造技术将引发第三次工业革命，将使产品设计、制造工艺、制造装备及生产线、材料制备、相关工业标准、制造企业形态乃至整个传统制造体系产生全面、深刻的变革。 1996年美国的3D Systems公司推出了快速成型机Actua21002. 美国、德国和日本在该领域处于世界领先地位，并已形成了多家专业化和规模化研制和生产3D 打印装备的知名企业，如德国的EOS，美国的3D Systems以及日本的CMET等公司。 美国国防部、能源部和商务部等。家政府部门将共同出资4500万 美元，首笔资金为3000万美元。 波音公司应用3D打印技术及传统铸造技术相结合，制造出铝合金、钛合金、不锈钢等不同材料的货舱门托架等零部件； GE公司应用3D打印技术制造航空航天及船舶叶轮等关键零件。美国军方应用3D打印技术协助制造导弹用弹出式点火器模型等。 国内也是特别重视3D打印的发展，工信部拟制定3D打印技术技术路途图和中长期发展战略。国内在设备的运行稳定性以及材料适应范围方面及国外存在明显差距。零件性能的重复性，零件表面质量不及国外先进水平；能成形钛、铝等高活性金属以及陶瓷等难溶材料的SLM装备还不成熟。目前国内3D打印已经起先产业化。 2019年10月成立了中国3D打印技术产业联盟，推动这一技术的产业化。目前进行3D打印技术探讨的高校主要有清华高校、西安交大、北航、华中科技高校以及西北工业高校等。 制造技术假如进行分类，大致可以分成三类，等材制造、减材制造、增材制造。等材制造是采纳铸造、焊接及锻压等技术对材料进行加工,制造过程中,基本上不变更材料的量,或者变更很少；减材制造是利用切削机床对毛坯进行加工,由大变小,而形成最终所须要形态的零件；而3D打印在学术上被称为增材制造技术，早在上个世纪就被提出，并进行相关的研发，但在最近几年呈现井喷式的增长，成为制造业万人瞩目的新星，很大程度上是因为CAD/CAM的发展成熟，数字化、自动化制造在制造业的普及，这些都促成了3D打印技术的发展成熟。 以3D打印技术为典型代表的新型制造技术成为引领将来制造业变革的重要技术之一,该技术有可能从根本上变更生产组织方式。3D打印技术是通过电脑协助设计技术完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D 打印机上,后者采纳分层加工、迭加成形,即将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。其工作原理及一般打印机基本相同,及电脑连接后,通过电脑限制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。 现阶段，在机械加工领域，3D打印应用尚未成熟，依据熔融固化技术实现的3D打印，加工出的工件的强度、刚度、精度等的要求都很难达到，能真正投入生产的有3D打印砂型铸造，打印砂型相对于砂箱翻模精度要高得多，可以完成困难程度比较高的砂模制造，成型的砂模硬度也比砂箱做出的高。但是依据激光近型制造技术的金属3D打印还很难用于商业化，因为这种加工方法成形精度低，难以成形困难零件，热输入量大，需从工艺上减小内应力的产生。 新兴的电子束熔化技术（ EBM）倒是更有希望投入生产中，他的工艺和选择性激光熔化成形原理基本相像、主要差别在于热源不同，成形室必需为高真空。 特点 电子束为热源，金属材料对其几乎没有反射，能量吸取率大幅提高。真空环境下，材料熔化后层及层之间的冶金结合度强。但真空抽气过程中粉末简单被气流带走，需较高温度的预热。 理论上讲3D打印是万金油，无论多么困难的零件，只要能够用CAD软件建模，然后STL格式转换，模型精确化，切片路径规划，然后进行3D成形，打印机都可以依据你的要求打印出来。过去开发一个产品尤其是具有困难形态的零部件,须要大量相关工具、卡具及模具等生产打算,并协作专用的加工设备才能实现，而且开发产品要得到市场的认可还须要很长的一个周期，所以3D打印技术使得人们彻底摆脱了对工具、朴具等协助加工设备的依靠,一道工序即可完成新零件部件的制造,大大加快了产品的开发进程。 三、3D打印的将来发展观望 3D打印及传统制造有很大的不同,比如材料的制造过程就和原来不一样了。但在有些方面还是比较相像的,像金属材料的干脆打印成型,事实上是接近焊接的过程